三锥辊式平模制粒机零部件的有限元强度分析

2014-09-26陈义厚长江大学机械工程学院湖北荆州434023

长江大学学报(自科版) 2014年5期

陈义厚（长江大学机械工程学院，湖北荆州 434023）

由于我国农业土地的过度开发，尤其是长期偏施单质化肥，最终影响优质农产品的生产。为了确保农业种植水平和农作物产品品质，一些科学家已研制成功了一种优质的有机复合肥料——绿色生态有机复合肥料。不过，这种肥料需要通过机械作用将混合粉料压实并挤出模孔而形成圆柱状肥料颗粒，但目前在国内外只有极少量加工此专用有机肥料的制粒机。

本研究通过对绿色生态有机复合肥料的成型机理进行全面分析和研究，提出三锥辊式压辊结构的思想，以提高加工的速度和稳定性，综合考虑各种因素，设计出能制造此专用复合肥料颗粒的三锥辊式平模制粒机，并利用有限元的计算方法对制粒机的重要部件压辊和平模进行了分析计算，得到了满意的结果。

1 主要结构及工作原理

如图1所示，平模制粒机由电动机2、传动装置1、传动轴3、平模4、压辊5、喂料器、进料斗6、切刀7、出料斗8等几部分组成。

平模制粒机是以机械圆周运动为基础，电动机2为动力带动传动轴，经差速器1减速至主轴3，进而带动与主轴3连接的平模4，擦动压辊5，使得压辊5和平模4之间有较高的摩擦温度，在平模4和压辊5的强烈挤压作用下，物料逐渐被压实，挤入平模的模孔中，并使搅拌均匀的复合肥料粉状原料中的化学元素发生反应、结晶、凝固，在压辊5的挤压下，从平模孔中挤出，经过切刀的分段最后从出料口8滚出颗粒肥料[1]。

图1 平模制粒机的基本结构

2 三锥辊式平模制粒机零部件的有限元强度分析

对三锥辊式平模制粒机各零、部件作精确的强度（应力、应变）分析，需采用工程力学的方法，如弹、塑性理论，差分法、有限元法等。作为一种数值计算方法，有限元法随着计算机技术的不断发展得以实现，它的优势在于可以进行整个实体的全方位研究，而不用顾及它的复杂结构。目前有限元方法在强度方面研究已逐渐成熟，正得到广泛采用。

2.1 有限元强度分析原理

有限元方法对实体强度的分析，就是分析实体在承受各种载荷和约束作用下的应力、应变情况。一般的过程就是将弹性实体划分尽量少的单元，对单个单元，按一定的几何关系和虚功原理可以得到，各节点的载荷为刚度矩阵 [k]e和节点位移｛δ｝e的乘积，进一步将实体的各单元联合可得到整体刚度矩阵 [K]。在已知外载和节点约束的条件下就可以得到各节点的位移δ、应变ε、及应力σ。

单元型式多种多样，可以分平面和三维单元2个部分。一般采用三维单元可以更准确描述实体的几何形式。本研究中采用8节点砖块单元（brick）。

砖块单元的几何矩阵[2]为：

2.2 平模的有限元分析

2.2.1 建立实体模型

平模属于周期对称结构，每个扇区1200，分3个扇区。取其中的一个扇区进行分析，在PRO／E环境建立平模的三维实体模型[3－4]，保存为 Ansys可以调用的 .IGES或 .SAT格式，然后由Ansys调入的方法。图2为用于有限元分析的制粒机上平模的模型。

2.2.2 材料性质及属性

图2 用于有限元分析的平模模型

平模采用40Cr。热处理要求：机加工后真空热处理，硬度HRC53～55。其机械性能为：强度极限σb＝980MPa，σs＝785MPa。

平模的材料属性为：线性材料，各项同性，弹性模量为2.1×1011MPa，泊松比为0.25。

2.2.3 有限元网格划分

有限元网格划分要考虑2个问题，一是精度问题，即网格划分不能太粗，否则计算结果精度不够，二是计算时间问题，如

果网格划分太密，虽然可以达到精度要求，但由于计算量十分巨大，计算过程缓慢。在进行平模的网格划分时，综合2个方面的要求，采用的单元类型为8节点砖块单元。图3为平模的网格划分图。

2.2.4 施加载荷及约束

将平模内孔的表面的6个自由度全部约束，由于已经定义了周期对称分析选项，故2个剖面处无需施加约束。压辊施加给平模的压力为4.41Mpa，施加在位于模型中部的38°夹角的范围内（38°是根据攫入角40°计算得来）。压辊给平模的摩擦力F＝fN＝0.4×4.41×1720mm2＝3034N也均匀施加在此夹角范围内（受摩擦力的面积1720mm2也是根据攫入角40°计算得来）。

2.2.5 计算结果查看及分析

图4、图5分别为平模有限元等效应力分析结果图和平模有限元分析的变形图。从图4可以看出，σmax＝101.031MPa，最大应力在平模的支撑处；采用公式来进行静强度校核，则安全系数为，满足要求，说明平模是安全的。此外，从图5还可以查看到平模的最大变形量为0.023705mm。